一种用于3D打印的图像处理方法和系统与流程

一种用于3d打印的图像处理方法和系统
技术领域
1.本发明涉及图像处理领域，尤其涉及一种用于3d打印的图像处理方法和系统。


背景技术：

2.dlp(digital light procession，数字光处理)3d打印技术的基本原理是数字光源以面光的形式在液态光敏树脂表面进行层层投影，层层固化成型。在进行dlp 3d 打印时，可打印区域会被划分为一个个的“体素”，也就是组成3d打印件的单元，而打印机会通过识别与这些体素对应的像素的灰度来决定是否打印。如果像素被标记为“白”，投影仪就会固化该像素位置的树脂，从而完成打印；反之，如果像素被标记为“黑”，投影仪就不会固化该像素位置的树脂。当像素的灰度达到某种程度后，它就完全不会被打印；灰度如果到达某个值，之前的打印层上就会出现半球状的块状物。像素越亮，这种块状物就越高，而“体素”也会随之越来越宽并少许变高。这就意味着，可以通过改变单个像素的灰度来控制体素的大小，而体素的大小从某种程度上来说可以等同于打印件的精度。
3.现有的打印模式是对待打印模型的每一个待打印层投影一张图片，然后固化。例如，当dlp设备采用1k95光机(分辨率为1920
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1080)时，由于像素点太大，尤其是投影图片在物体轮廓处的相邻像素灰度值的变化过于明显，导致打印的模型表面连接不连贯，成型后模型的表面不光滑。所以现有dlp 3d方式的缺点是轮廓的部分会因为图片本身的锯齿，出现不连续的情况，相邻之间有明显的区分，最后导致在模型轮廓表面上出现一圈一圈的水波纹。
4.因此，本领域的技术人员致力于开发一种用于3d打印的图像处理方法，以便能在不改变原始图像分辨率的情况下，提高像素的灰度精细度，使相邻像素灰度值的变化有更好地过渡，缩小变化，使打印出的模型表面更光滑。


技术实现要素：

5.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何在不改变原始图像分辨率的情况下，改善图像的相邻像素间灰度差别过大的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种用于3d打印的图像处理方法，包括以下步骤：
7.投影待打印层以生成初始图像；
8.沿第一方向移动所述初始图像，使得所述初始图像从初始位置移动第一距离到达第一限定位置以得到第一图像，其中，所述第一距离不大于所述初始图像中的一个像素沿所述第一方向的长度；
9.融合所述初始图像和所述第一图像以得到融合图像；以及
10.打印所述融合图像。
11.进一步地，所述融合步骤包括将所述初始图像和所述第一图像中对应位置的像素灰度值叠加。
12.进一步地，沿所述第一方向移动一次或多次所述初始图像，以得到一个或多个所
述第一图像；以及
13.将一个或多个所述第一图像，与所述初始图像融合以得到所述融合图像。
14.进一步地，当沿所述第一方向的移动次数大于一次时，每次的移动距离相同。
15.进一步地，所述第一距离为所述初始图像中的一个像素沿所述第一方向的长度的一半。
16.进一步地，还包括：沿第二方向移动所述第一图像，使得所述第一图像从所述第一限定位置移动第二距离到达第二限定位置，以得到第二图像，其中，所述第二方向与所述第一方向相互垂直；以及
17.融合所述初始图像、所述第一图像、所述第二图像以得到所述融合图像。
18.进一步地，所述第二距离不大于所述初始图像中的一个像素沿所述第二方向的长度。
19.进一步地，沿所述第二方向移动一次或多次所述第一图像，以得到一个或多个所述第二图像；以及
20.将一个或多个所述第二图像，与所述初始图像、所述第一图像融合以得到所述融合图像。
21.进一步地，当沿所述第二方向的移动次数大于一次时，每次的移动距离相同。
22.进一步地，所述第二距离为所述初始图像中的一个像素沿所述第二方向的长度的一半。
23.进一步地，还包括：沿第三方向移动所述第二图像，使得所述第二图像从所述第二限定位置移动第三距离到达第三限定位置，以得到第三图像，其中，所述第三方向与所述第一方向相反；以及
24.融合所述初始图像、所述第一图像、所述第二图像、所述第三图像以得到所述融合图像。
25.进一步地，所述第三距离不大于所述初始图像中的一个像素沿所述第一方向的长度。
26.进一步地，沿所述第三方向移动一次或多次所述第二图像，以得到一个或多个所述第三图像；以及；
27.将一个或多个所述第三图像，与所述初始图像、所述第一图像、所述第二图像融合以得到所述融合图像。
28.进一步地，当沿所述第三方向的移动次数大于一次时，每次的移动距离相同。
29.进一步地，沿所述第三方向的移动次数与沿所述第一方向的移动次数相同。
30.进一步地，所述第一距离等于所述初始图像中的一个像素沿所述第一方向的长度的一半；沿所述第一方向的移动次数为一次。
31.进一步地，所述第二距离等于所述初始图像中的一个像素沿所述第二方向的长度的一半；沿所述第二方向的移动次数为一次。
32.进一步地，还包括：所述第三限定位置与所述第一限定位置之间沿所述第一方向的距离之差为零。
33.本发明还提供了一种用于3d打印的图像处理系统，包括：
34.投影模块，被配置为能够投影待打印层以生成初始图像；
35.移动模块，被配置为能够沿第一方向移动所述初始图像，使得所述初始图像从初始位置移动第一距离到达第一限定位置以得到第一图像，其中，所述第一距离不大于所述初始图像中的一个像素沿所述第一方向的长度；
36.融合模块，被配置为能够融合所述初始图像和所述第一图像以得到融合图像；以及
37.打印模块，被配置为能够打印所述融合后的图像。
38.进一步地，所述移动模块被配置为还能够沿第二方向移动所述第一图像，使得所述第一图像从所述第一限定位置移动第二距离到达第二限定位置，以得到第二图像，其中，所述第二方向与所述第一方向相互垂直；所述第二距离不大于所述初始图像中的一个像素沿所述第二方向的长度。
39.进一步地，所述移动模块被配置为还能够沿第三方向移动所述第二图像，使得所述第二图像从所述第二限定位置移动第三距离到达第三限定位置，以得到第三图像，其中，所述第三方向与所述第一方向相反；所述第三距离不大于所述初始图像中的一个像素沿所述第一方向的长度；所述第三限定位置与所述第一限定位置之间沿所述第一方向的距离之差为零。
40.本发明还提供了一种用于3d打印的图像处理装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并能够在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器被配置为能够在执行所述计算机程序时实现所述图像处理方法的步骤。
41.本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时能够实现所述图像处理方法的步骤。
42.与现有技术方案相比，本发明的技术效果在于，减小了图像相邻像素间原来过大的灰度差别，使图像上的像素点以更平滑的灰度过渡方式显示，从而使dlp 3d打印光固化材料的时候，光边沿分布的强度更加均匀，提高了3d打印精度，使打印出来的模型表面更加光滑。
43.以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
44.图1是本发明的一个较佳实施例在一个方向上移动一次前的图像灰度示意图；
45.图2是本发明的一个较佳实施例在一个方向上移动一次后的图像灰度叠加示意图；
46.图3是本发明的一个较佳实施例在一个方向上移动两次前的图像灰度示意图；
47.图4是本发明的一个较佳实施例在一个方向上移动两次后的图像灰度叠加示意图；
48.图5是本发明的一个较佳实施例的移动半个像素前图像内灰度示意图；
49.图6是本发明的一个较佳实施例在宽度和高度方向均移动半个像素后图像内灰度叠加示意图；
50.图7是本发明的一个较佳实施例的灰度叠加情况示意图；
51.图8是本发明的一个较佳实施例的图像移动过程示意图；
52.图9是利用本发明所提图像处理方法来提高dlp 3d打印精度的流程图。
具体实施方式
53.以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
54.在本发明的一个实施例中，如图1所示，图像从初始位置a沿图像的宽度方向移动一次，移动到第一限定位置b，点a与点b之间的距离不大于图像的一个像素的宽度值。图中a、b代表移动前的图像中某区域，b、c代表移动后的对应图像区域。如图1所示，移动前，灰度值为a:g1、b:g1、c:g2。把移动前后的图像灰度值叠加之后，区域b即为图像灰度融合区域，该区域的灰度值为移动前后两次图像在对应位置的灰度值叠加而得，等于g1 g2。如图2所示，移动后，灰度值为a:g1、b:g1 g2、c:g2。可见，经过一次移动之后，初始图像区域的灰度值从原来的整副g1变为了一部分g1 和一部分g1 g2，实现了灰度插值的效果，使灰度控制更加精细，其效果相当于提高了图像的分辨率，由原始图像再生出具有更高分辨率的图像。
55.在本发明的另一个实施例中，图像从初始位置a沿图像的宽度方向移动两次，从 a到c再到b。整体移动距离ab之间的距离不超过一个像素的宽度。如图3所示。图中a、b、d区域代表移动前的图像中某区域，b、d、e代表第一次移动后的对应图像区域，、d、e、f代表第二次移动后的对应图像区域。移动前，图像灰度值为： a:g1,b:g1,d:g1,e:g2,f:g3。经过两次移动后，图像灰度值情况变为：a:g1,b:g1 g2,d:g1 g2 g3,e:g2 g3,f:g3。该实施例中不仅实现了灰度插值的效果，而且比从a到b只移动一次的情况的效果更好，灰度控制精细程度有提高。基于类似的原理，如果从a到b移动次数越多，则效果越好，最终融合后图像的分辨率就越高。
56.在本发明的另一个实施例中，如图5，图6所示，第一次移动时，图像从初始位置a沿图像的宽度方向移动一次，移动到第一限定位置b，移动距离为图像的半个像素的宽度值。第二次移动时，从第一限定位置b沿图像的高度方向移动一次，移动到第二限定位置c，移动距离等于图像的半个像素的高度值。第三次移动时，从第二限定位置c沿图像的宽度按照与第一次移动时相反的方向移动到第三限定位置d。
57.从宏观上看，图中a、b、d、e代表移动前的图像中某区域，灰度值为g1。b、c、 e、f代表第一次移动后的对应图像区域，灰度值g2，e、f、h、i代表第二次移动后的对应图像区域，灰度值为g3，d、e、g、h代表第三次移动后的对应图像区域，灰度值为g4。在进行了上述半个像素的三次偏移之后，将4个图像进行融合，即将对应位置的灰度值叠加得到最终融合后的图像，如图6所示。图像偏移前的灰度情况为a:g1， b:g1，c:g2,d:g1,e:g1，f:g2,g:g4,h:g4,i:g3。偏移融合后的灰度值变成：a:g1， b:g1 g2，c:g2,d:g1 g4,e:g1 g2 g3 g4，f:g2 g3,g:g4,h:g4 g3，i:g3。
58.从微观上看，也可以理解为图5中a、b、d、e代表移动前的图像中的一个像素，灰度值为g1。b、c、e、f代表该像素在第一次移动半个像素后的对应区域，此区域灰度值g2。e、f、h、i代表该像素在第二次移动半个像素后的对应区域，此区域灰度值为g3。d、e、g、h代表该像素在第三次移动后的对应区域，此区域灰度值为g4。在进行了上述半个像素的三次偏移之后，将4个区域的灰度值进行融合，即将对应位置的灰度值叠加得到最终融合后的情况，
如图6所示。偏移前的灰度情况为a:g1，b:g1， c:g2,d:g1,e:g1，f:g2,g:g4,h:g4,i:g3。偏移融合后的灰度值变成：a:g1，b:g1 g2， c:g2,d:g1 g4,e:g1 g2 g3 g4，f:g2 g3,g:g4,h:g4 g3，i:g3。可以看到原来a、b、 d、e所对应的那个像素的灰度值由原始的单一值g1变成了a:g1，b:g1 g2， d:g1 g4,e:g1 g2 g3 g4，相当于把原来的abde一个整体的一个像素分割成了a、b、 d、e四个新的像素，分别具有4个不同的灰度值，从而提高了图像的分辨率。
59.从图5和图6可以看到，无论是从图像这个角度做宏观分析，还是从像素这个角度做微观分析，其效果都是在不改变原始图像分辨率的情况下，经过偏移之后，相当于插入了更多的灰度值，灰度控制比不偏移更加精细。通过在图像宽度和高度方向上各做半个像素的偏移，提高了图像的分辨率，有利于得到轮廓表面更光滑的3d打印模型。
60.在本技术中，将多个图像进行融合，或者将多个图像的像素灰度值进行叠加，可以参照如下方式进行：
61.根据目标光机分辨率为1920*1080，每个像素大小为100um，抗锯齿等级选择2 级，像素偏移选择2*2模式，即如图5、6所示实施例对应的偏移情况。使原图在移动后变为4张图，通过抗锯齿，算出对应的面积，这样，每张图都有各自的灰度。然后生成对应分辨率的网格图，其大小为1920*1080，格子数为：在图像宽度方向上为 1920*2*2，在图像高度方向上为1080*2*2。对每一条线段，当其与网格图相交时，就对该网格的像素进行点亮。此时，能得到一副宽为7680，高为4320的轮廓图。接着对该轮廓图按每行发射射线，利用进出的信息，可对其进行轮廓的填充。这样就实现了多个图像的融合或者说多个图像的像素灰度值的叠加。从而得到分辨率更高的结果图像。
62.在不同的实施例中，可以根据不同的情况对图像进行调整或处理，以特定的方式进行叠加或融合，从而得到过渡更为平滑的融合图像。
63.图7为本发明另一个实施例对应的灰度情况。以上述过程类推到单个待打印层的一张投影图片，b中是tx0y0到txny0的灰度的叠加，d是tx0y0到tx0yn的叠加，e 是tx0y0到txnyn的灰度叠加，f是txny0到txnyn的灰度叠加，h是tx0yn到txnyn 的灰度叠加。相比于没有偏移的情况，通过半个像素的偏移，使得投影图片整体灰度控制变得更精细，尤其是在边缘处的相邻灰度差减小，因此就能大大减弱图片周边的锯齿情况，使得打印出来的模型轮廓表面更平滑。
64.在本发明的另一个实施例中，图像在宽度和高度方向上均做两次移动，图8示出了图像移动的具体过程。假设该图像一个像素的宽度和长度均为3mm。每次在x轴方向即图像宽度方向上的偏移距离为1/3像素，即1mm。每次在y轴方向即图像高度方向上的偏移距离也为1/3像素，即1mm。偏移过程中图像中参考点(0,0)对应的坐标值的移动变化如下：从(0,0)移动到(1,0)移动到(2,0)移动到(2,1)移动到(1,1)移动到(0,1)移动到(0,2)移动到(1,2)移动到(2,2)。
65.同理，如果增大图像在宽度和高度方向上的移动次数，并控制在一个方向上的总移动距离不超过一个像素，那么移动次数越多，单次偏移量被划分得越小，那么其效果就是使得灰度的控制变得愈发精细。
66.如图9所示，是利用本发明所提图像处理方法来提高dlp 3d打印精度的流程图。打印过程包括以下步骤：
67.对待打印三维模型进行分层，得到多个待打印层；
68.打开光机；将待打印层投影为一张原始图像，采取一定推动方式使原始图像在宽度和高度方向上分别进行微小位移移动，并在每次移动后投影一张图像，将全部投影图像的灰度值叠加融合，对融合后的图像固化一定时间。其中，移动图像和融合图像的具体方法和过程与前述实施例的工作原理一样。
69.从第一待打印层开始，依次对每个待打印层执行上述操作，直至完成全部所述待打印层的3d打印。
70.在进行dlp 3d打印时，对每一个待打印层，都进行类似于前述实施例的移动图像和灰度融合操作。移动方式可以是推动光机移动，推动光机镜头移动，或者推动打印平台移动，它们本质上都是使得投影图像相对于上一次的位置产生偏移。在每一次移动后都投影出一张图像，然后将它们的灰度值叠加，进行融合，并进行一定时间的材料固化，得到一层的模型。然后使光机或者光机镜头或者打印平台回复到原位，接着针对下一个待打印层，重复上述操作。最终就能得到表面光滑的模型。
71.目前普通的dlp 3d打印流程是：打开光机，接着投影一张图片，然后固化一定时间，关闭光机，一层打印结束。然后投影下一张图片，重复上述过程。这种方法的投影图片在物体轮廓处的相邻像素灰度值的变化过于明显，导致打印的模型表面连接不连贯，成型后模型的表面不光滑。
72.而本发明所提的技术方案能够在无需更换高分辨率光机的前提下，通过软件手段来提高现有低分辨率光机的3d打印效果。通过减小图像相邻像素灰度差别，提高dlp 3d打印精度。而且，随着移动次数的增大，即随着每次微位移移动的距离越小，灰度控制就越精细，模型轮廓处相邻像素间的灰度变化就越小越平滑，使得打印出来的整个模型外表就越光滑，直至肉眼看不出来任何“水波纹”现象，相当于在不改变光机分辨率的情况下，从软件方法角度提高了打印精度。这种方法的硬件成本低，打印效果好，具有很高的应用价值。
73.此外，对于彩色图像而言，也可以应用本发明所提方法。首先，任何颜色都有红、绿、蓝三原色组成，假如原来某点的颜色为rgb(r，g，b)，那么，我们可以通过一些方法，将rgb颜色转换为灰度。彩色图像的灰度其实就是在转化为黑白图像后的像素值。然后，应用本发明所提方法来减小图像相邻像素灰度差别，增加图像的灰度级。灰度级越多，图像层次就越清楚逼真。因此，本发明所提方法也能用于提高彩色图像分辨率，实现使图像更清晰逼真的效果。
74.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。